不同填料改性PI复合材料机械性能测试与分析

彭惠芬,王 鹏,王 程

（1．东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆,163318；2．大庆油田有限责任公司钻探工程公司，黑龙江大庆,163453）

不同填料改性PI复合材料机械性能测试与分析

彭惠芬1,王 鹏2,王 程2

（1．东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆,163318；2．大庆油田有限责任公司钻探工程公司，黑龙江大庆,163453）

文章主要分析了在PI中加入SiC纤维、CF、Al2O3纤维对PI材料摩擦磨损性能、硬度性能、力学性能的影响。

PI复合材料；SiC纤维；测试

0 引言

PI是一种应用广泛的工程塑料，其具有高强度、高模量、耐水解、低吸水率、绝缘性良好、稳定性强的优点，应用的领域包括航空、膜、航天、液晶、纳米、激光等。聚酰亚胺被列为21世纪最有希望的工程塑料之一。PI也有其缺点比如抗压强度低等，因此不适合作为摩擦材料单独使用，加入增强纤维可以增强其性能。改性PI的方法主要有填充、共聚、结构改造、共混等方法，在这些方法当中最简单有效的方法是填充改性的方法，既保持其优点又可的提高其综合性能。常用的填料有无机填料、纳米粒子、金属及金属氧化物、杂化填料等。本文主要分析了SiC纤维、CF、Al2O3纤维填充对PI的摩擦磨损性能、硬度性能、力学性能的影响。

1 原料与设备

1.1 原料

表1 实验原料

在实验中用到的实验原料如表1所示。

1.2 设备

本实验中用到的设备如表2所示。

表2 实验设备

2 实验方法

2.1 复合材料制备

PI复合材料的制备过程如图1所示，要先将PI在鼓风干燥箱中进行干燥，其条件为250℃，2h；然后将风干后的PI与经过表面处理的填料按照比例高速混合10min，混合要均匀，填充料的质量分数为5%；最后用XLB型平板硫化机热模压成型，这个阶段分为两个部分，分别为预塑阶段（280℃、10-12MPa、1h）和成型阶段（340℃、10-12MPa、1h），温度降至100℃时，可脱模，得到复合材料板材，再加工成试样。试样要求：材料表面平整、无裂

纹气泡、不分层、没有明显的杂质、无加工损伤等。

图1 PI复合材料的制备过程

2.2 性能测试方法

2.2.1 力学性能测试

PI复合材料力学性能测试根据国标法GB/T1040-92和GB/ T9341-2000进行，采用电子万能材料试验机，测定PI复合材料的弯曲强度、拉伸强度，测定三次，取平均值。结果取3次测量平均值。

冲击强度的测定根据国标法GB/T1043-93进行，采用简支梁冲击试验机测定复合材料冲击强度，测定三次，取平均值。冲击强度αk（kJ/m2）按照公式（1）进行计算。

在公式（1）中，Ak代表缺口试样吸收的冲击力量，单位为J；b代表试样宽度，单位为mm；dk代表缺口试样缺口处剩余厚度，单位为mm。

2.2.2 硬度性能测试

PI复合材料的硬度性能测采用XHR-150塑料洛氏硬度计进行，采用HRR标尺，载荷是60Kg，压头直径为12.7mm，加载时间15s，卸载时间15s，测定5次，取平均值。

2.2.3 摩擦磨损性能测试

按照GB3960-83在M-2000A型磨损试验机上测试PI复合材料的摩擦磨损性能。实验在室温条件下进行，滑动速度为200转/分，载荷分别为150N、200N、250N。

复合材料的磨损用磨损量进行评定，即试样在试验前后的重量之差。试样在磨损前后进行去污，供干，釆用精度为0.lmg的分析天平称量，计算试样磨损前后重量之差。每次试验至少3次重复，结果取其平均值。

3 试验结果分析

3.1 不同纤维填充的力学性能

不同纤维改性PI材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、冲击强度有所不同，其具体的测定比较结果如图2所示。

由图2可知，SiC纤维改性PI复合材料和CF改性复合材料都提高了其拉伸强度和弯曲弹性模量、弯曲强度，AI2O3纤维改性PI材料的弯曲强度有所下降，其拉伸强度和弯曲弹性模量有所提高。在三种纤维中，SiC纤维改性PI复合材料性能较好，分别比纯PI提高23.4%、8.8%和5.4%。

提高PI材料性能的原因是，纤维可以非常牢固地嵌入到PI基体中，并形成良好的界面层，因为纤维具有强度高、模量高的特性，所以能够增强PI材料的弯曲强度、弯曲弹性模量等。

CF改性PI复合材料的弯曲弹性模量高于SiC纤维、Al2O3纤维的改性PI复合材料的弯曲弹性模量，这主要是因为SiC纤维和Al2O3纤维为陶瓷类纤维，弹性模量低于CF，受弯曲力容易破裂，所以SiC纤维和Al2O3纤维的改性PI复合材料的弯曲弹性模量较低。

由图2（d）可知，3种纤维改性PI复合材料的冲击强度都有所下降，SiC纤维PI复合材料的冲击强度下降最小。这主要是因为纤维刚性较大易脆，不易受外力影响，吸收冲击能的能力低，所以这3种纤维改性PI复合材料的冲击强度均降低了。但是由于SiC纤维与PI基体有相容性的较好，能吸收的冲击能量较多，所以SiC纤维改性PI复合材料冲击强度较大。

图2 3种纤维改性PI复合材料力学性能

3.2 不同纤维改性PI复合材料的硬度性能

3种纤维改性PI复合材料的硬度性能的测定结果如图3所示。由图3可知，3种纤维改性PI复合材料比纯PI材料的硬度都有所增加，其中SiC纤维/PI复合材料的硬度最高，比纯PI提

图3 3种纤维改性PI复合材料的硬度测试

高了1.8%。增强PI材料硬度的主要原因是纤维的增强起到了刚性支撑点作用，在接受外力时，纤维承担部分载荷，提高了PI复合材料的硬度，在这三种纤维中，SiC纤维的硬度较高，所以SiC纤维/PI复合材料的硬度也最高。

3.3 不同纤维改性PI复合材料的摩擦磨损性能

图4所示在150N、200N、250N载荷下3种纤维改性PI复合材料磨损量。由图4可知，SiC纤维/PI复合材料的磨损量最低，其磨损量在150N、200N、250N载荷下分别是纯PI的27.9%、13.4%和10.9%。随着载荷增加，SiC纤维/PI复合材料、AI2O3纤维/PI复合材料的磨损量逐渐降低，说明载荷越大，SiC纤维、AI2O3纤维PI复合材料的耐磨性越好，这主要是因为SiC纤维、AI2O3纤维的导热性好、硬度高，摩擦过程中在对偶表面形成均匀的转移膜，有效降低复合材料磨损。

[1] 徐锦泱,刘雷,罗建伟,等.聚酰亚胺的填充改性研究进展[J].化工新型材料,2010,5:17-18.

[2] 薛晶.碳化硅短纤增强PMR型聚酞亚胺复合材料成型加工与表征[D].上海:东华大学纺织学院,2010.

Different fillers modified PI composite mechanical testing and analysis

Peng Huifen1,Wang Peng2,Wang Cheng2
(1.Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University,163318；2.Daqing Oilfield Drilling Engineering Company Limited Liability Company,163453)

This paper analyzes the added SiC fibers in the PI,CF,Al2O3 fiber friction and wear properties of PI,hardness,mechanical properties affected.

PI composites;SiC fibers;tests

彭惠芬（1968-），女，博士，副教授。研究方向：有限元及复合材料数值分析。

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（重大），项目编号：GA13A402